6.6_bptt

6.6 通过时间反向传播

在前面两节中，如果不裁剪梯度，模型将无法正常训练。为了深刻理解这一现象，本节将介绍循环神经网络中梯度的计算和存储方法，即通过时间反向传播（back-propagation through time）。

我们在3.14节（正向传播、反向传播和计算图）中介绍了神经网络中梯度计算与存储的一般思路，并强调正向传播和反向传播相互依赖。正向传播在循环神经网络中比较直观，而通过时间反向传播其实是反向传播在循环神经网络中的具体应用。我们需要将循环神经网络按时间步展开，从而得到模型变量和参数之间的依赖关系，并依据链式法则应用反向传播计算并存储梯度。

6.6.1 定义模型

简单起见，我们考虑一个无偏差项的循环神经网络，且激活函数为恒等映射（$\varphi (x)=x$）。设时间步 $t$ 的输入为单样本 ${\mathbf{x}}_t\in {\mathbb{R}}^d$，标签为 $y_t$，那么隐藏状态 ${\mathbf{h}}_t\in {\mathbb{R}}^h$的计算表达式为

$${\mathbf{h}}_t={\mathbf{W}}_{hx}{\mathbf{x}}_t+{\mathbf{W}}_{hh}{\mathbf{h}}_{t-1},$$

其中${\mathbf{W}}_{hx}\in {\mathbb{R}}^{h\times d}$和${\mathbf{W}}_{hh}\in {\mathbb{R}}^{h\times h}$是隐藏层权重参数。设输出层权重参数${\mathbf{W}}_{qh}\in {\mathbb{R}}^{q\times h}$，时间步$t$的输出层变量${\mathbf{o}}_t\in {\mathbb{R}}^q$计算为

$${\mathbf{o}}_t={\mathbf{W}}_{qh}{\mathbf{h}}_t.$$

设时间步$t$的损失为$\ell ({\mathbf{o}}_t,y_t)$。时间步数为$T$的损失函数$L$定义为

$$L=\frac{1}{T}\sum _{t=1}^T\ell ({\mathbf{o}}_t,y_t).$$

我们将$L$称为有关给定时间步的数据样本的目标函数，并在本节后续讨论中简称为目标函数。

6.6.2 模型计算图

为了可视化循环神经网络中模型变量和参数在计算中的依赖关系，我们可以绘制模型计算图，如图6.3所示。例如，时间步3的隐藏状态${\mathbf{h}}_3$的计算依赖模型参数${\mathbf{W}}_{hx}$、${\mathbf{W}}_{hh}$、上一时间步隐藏状态${\mathbf{h}}_2$以及当前时间步输入${\mathbf{x}}_3$。

图6.3 时间步数为3的循环神经网络模型计算中的依赖关系。方框代表变量（无阴影）或参数（有阴影），圆圈代表运算符

6.6.3 方法

刚刚提到，图6.3中的模型的参数是 ${\mathbf{W}}_{hx}$, ${\mathbf{W}}_{hh}$ 和 ${\mathbf{W}}_{qh}$。与3.14节（正向传播、反向传播和计算图）中的类似，训练模型通常需要模型参数的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hx}$、$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hh}$和$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{qh}$。
根据图6.3中的依赖关系，我们可以按照其中箭头所指的反方向依次计算并存储梯度。为了表述方便，我们依然采用3.14节中表达链式法则的运算符prod。

首先，目标函数有关各时间步输出层变量的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{o}}_t\in {\mathbb{R}}^q$很容易计算：

$$\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_t}=\frac{\partial \ell ({\mathbf{o}}_t,y_t)}{T\cdot \partial {\mathbf{o}}_t}.$$

下面，我们可以计算目标函数有关模型参数${\mathbf{W}}_{qh}$的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{qh}\in {\mathbb{R}}^{q\times h}$。根据图6.3，$L$通过${\mathbf{o}}_1,\dots ,{\mathbf{o}}_T$依赖${\mathbf{W}}_{qh}$。依据链式法则，

$$\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{W}}_{qh}}=\sum _{t=1}^T\text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_t},\frac{\partial {\mathbf{o}}_t}{\partial {\mathbf{W}}_{qh}}\right)=\sum _{t=1}^T\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_t}{\mathbf{h}}_t^{\top }.$$

其次，我们注意到隐藏状态之间也存在依赖关系。
在图6.3中，$L$只通过${\mathbf{o}}_T$依赖最终时间步$T$的隐藏状态${\mathbf{h}}_T$。因此，我们先计算目标函数有关最终时间步隐藏状态的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{h}}_T\in {\mathbb{R}}^h$。依据链式法则，我们得到

$$\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_T}=\text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_T},\frac{\partial {\mathbf{o}}_T}{\partial {\mathbf{h}}_T}\right)={\mathbf{W}}_{qh}^{\top }\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_T}.$$

接下来对于时间步$t<T$, 在图6.3中，$L$通过${\mathbf{h}}_{t+1}$和${\mathbf{o}}_t$依赖${\mathbf{h}}_t$。依据链式法则，
目标函数有关时间步$t<T$的隐藏状态的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{h}}_t\in {\mathbb{R}}^h$需要按照时间步从大到小依次计算：
$$\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t}=\text{prod}(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_{t+1}},\frac{\partial {\mathbf{h}}_{t+1}}{\partial {\mathbf{h}}_t})+\text{prod}(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_t},\frac{\partial {\mathbf{o}}_t}{\partial {\mathbf{h}}_t})={\mathbf{W}}_{hh}^{\top }\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_{t+1}}+{\mathbf{W}}_{qh}^{\top }\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_t}$$

将上面的递归公式展开，对任意时间步$1\le t\le T$，我们可以得到目标函数有关隐藏状态梯度的通项公式

$$\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t}=\sum _{i=t}^T{\left({\mathbf{W}}_{hh}^{\top }\right)}^{T-i}{\mathbf{W}}_{qh}^{\top }\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{o}}_{T+t-i}}.$$

由上式中的指数项可见，当时间步数 $T$ 较大或者时间步 $t$ 较小时，目标函数有关隐藏状态的梯度较容易出现衰减和爆炸。这也会影响其他包含$\partial L/\partial {\mathbf{h}}_t$项的梯度，例如隐藏层中模型参数的梯度$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hx}\in {\mathbb{R}}^{h\times d}$和$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hh}\in {\mathbb{R}}^{h\times h}$。
在图6.3中，$L$通过${\mathbf{h}}_1,\dots ,{\mathbf{h}}_T$依赖这些模型参数。
依据链式法则，我们有

$$\begin{array}{rl}\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{W}}_{hx}}& =\sum _{t=1}^T\text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t},\frac{\partial {\mathbf{h}}_t}{\partial {\mathbf{W}}_{hx}}\right)=\sum _{t=1}^T\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t}{\mathbf{x}}_t^{\top },\\ \frac{\partial L}{\partial {\mathbf{W}}_{hh}}& =\sum _{t=1}^T\text{prod}\left(\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t},\frac{\partial {\mathbf{h}}_t}{\partial {\mathbf{W}}_{hh}}\right)=\sum _{t=1}^T\frac{\partial L}{\partial {\mathbf{h}}_t}{\mathbf{h}}_{t-1}^{\top }.\end{array}$$

我们已在3.14节里解释过，每次迭代中，我们在依次计算完以上各个梯度后，会将它们存储起来，从而避免重复计算。例如，由于隐藏状态梯度$\partial L/\partial {\mathbf{h}}_t$被计算和存储，之后的模型参数梯度$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hx}$和$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hh}$的计算可以直接读取$\partial L/\partial {\mathbf{h}}_t$的值，而无须重复计算它们。此外，反向传播中的梯度计算可能会依赖变量的当前值。它们正是通过正向传播计算出来的。
举例来说，参数梯度$\partial L/\partial {\mathbf{W}}_{hh}$的计算需要依赖隐藏状态在时间步$t=0,\dots ,T-1$的当前值${\mathbf{h}}_t$（${\mathbf{h}}_0$是初始化得到的）。这些值是通过从输入层到输出层的正向传播计算并存储得到的。

小结

• 通过时间反向传播是反向传播在循环神经网络中的具体应用。
• 当总的时间步数较大或者当前时间步较小时，循环神经网络的梯度较容易出现衰减或爆炸。

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注：本节与原书基本相同，原书传送门